一种基于系留无人机的应急无线充电系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于系留无人机的应急无线充电系统，包括系留无人机飞行器、发射器云台和接收器；发射器云台设置在系留无人机飞行器上，包括云台控制器、泵浦模块、光学充电发送器和第一通信装置，接收器包括第二通信装置和依次连接的充电接收器、电能转换器、负载，第一通信装置和第二通信装置通讯连接；光学充电发送器由泵浦模块泵浦，并由地面基站通过通信/供电线缆供能，然后发出共振光束向光学充电接收器传输功率能量。与现有技术相比，本发明专利技术利用系留无人机实现了0‑50米的远距离应急无线充电；还实现了发射器云台对接收器的实时自适应跟踪对准，在无人机覆盖范围内保证接收器可移动充电，并且在白天与黑夜场景均可工作。

Emergency wireless charging system based on moored UAV

【技术实现步骤摘要】
一种基于系留无人机的应急无线充电系统
本专利技术涉及远距离无线能量传输领域，尤其是涉及一种基于系留无人机的应急无线充电系统。
技术介绍
系留无人机技术理念来源于系留气球升空平台系统。典型的系留气球系统由美国著名生产厂商TCOM公司制造，它作为空基平台可定点监测电子装备。目前美国西海岸的对海警戒雷达网都是由TCOM系留气球作为空基平台部署的。然而，系留气球系统体积庞大升降困难，机动性适应性都很差。随着多旋翼无人机技术的快速发展，并为解决以上系留气球系统的固有问题，近年来已有多家无人机厂商展开了系留无人机系统研发。系留无人机的核心设计是由地面基站通过通信/供电线缆为无人机提供不间断供电与可靠通信。基于系留无人机的高空云台可搭载吊舱、基站、雷达、相机等，广泛适用于救灾抢险、边界巡视、地质勘探、野外作业、应急通信、新闻直播、环境监测等多个场景。但是目前尚无系留无人机用于应急供电的产品发布和技术研发报道。其核心问题在于当前广泛研究的无线充电技术都存在距离、安全、移动等多个方面问题。光共振无线充电技术(又称为分布式激光充电技术)，是近年来的一种突破性移动充电技术，可提供0-50米的远距离安全移动充电，其充电系统主要由分离的发射端与接收端腔镜构成，高功率能量在两端腔镜间借助共振光束传输，并可保证侵入异物安全。但是在系留无人机无线充电场景中，光共振无线充电技术由于工作视场角有限，难以实现对电子设备大范围的移动跟踪充电。此外非系留无人机高空云台又无法为光共振无线充电系统发射端提供所需能量。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的无线充电发射端供能瓶颈，并解决以及接收端实时跟踪定位对准难题而提供一种基于系留无人机的应急无线充电系统。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于系留无人机的应急无线充电系统，包括系留无人机飞行器，所述系留无人机飞行器通过通信/供电线缆连接地面基站，还包括发射器云台和接收器；所述发射器云台设置在系留无人机飞行器上，包括云台控制器、泵浦模块、光学充电发送器和第一通信装置，所述接收器包括第二通信装置和依次连接的充电接收器、电能转换器、负载，所述第一通信装置和第二通信装置通讯连接；所述光学充电发送器由泵浦模块泵浦，并由地面基站通过通信/供电线缆供能，然后发出共振光束向所述光学充电接收器传输功率能量。优选的，所述发射器云台还包括像素采集单元和部分反射器，所述接收器中的负载并联接有红外发光二极管；所述光学充电发送器经过部分反射器发出共振光束向所述光学充电接收器传输功率能量，同时生产的泄漏光束由像素采集单元采集，所述红外发光二极管发出红外信号经过部分反射器后也由像素采集单元采集，所述像素采集单元与云台控制器连接。优选的，所述发射器云台还包括光学测距单元，所述光学测距单元分别与云台控制器和光学充电发送器连接。优选的，所述光学测距单元鉴定共振光束的反射相位并根据相位法测距。优选的，所述发射器云台中还设有导航感知传感器。优选的，所述系留无人机飞行器包括无人机和设置在无人机上的飞行控制器，所述像素采集单元获取接收器的相对位置信息，并融合导航感知传感器获得的无人机的位置、姿态信息，反馈给飞行控制器，飞行控制器控制无人机实时跟踪接收器。优选的，所述云台控制器融合导航感知传感器反馈的系留无人机飞行器的位置信息、光学测距单元反馈的接收器的距离信息、像素采集单元反馈的接收器的相对位置信息，计算出接收器的绝对位置信息。优选的，所述光学充电发送器包括第一回复反射镜和增益模块，所述光学充电接收器包括第二回复反射镜和光电转换器，所述第一回复反射镜和第二回复反射镜构成法布里-珀罗谐振腔，所述增益模块设于第一回复反射镜和第二回复反射镜之间构成长腔激光器。优选的，所述部分反射器完全透射红外信号。优选的，所述像素采集单元包括视觉传感器和设置在视觉传感器前方的红外滤光片。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、采用系留无人机搭载发射器云台，并由地面基站通过通信/供电线缆给光学充电发送器供电，克服了高空应急供电平台的供能瓶颈，基于分离的发射端与接收端腔镜实现光学充电发送器和光学充电接收器，解决了高功率能量在收发两端0-50米距离范围内的安全传输问题，满足了应急供电场景下电子设备的便捷充电需求。2、像素采集单元通过红外滤光镜过滤掉视觉传感器视场角中背景信息，可实时采集共振光束的泄漏光束与接收器端红外信号，实现接收器的相对位置计算，飞行控制器根据云台控制器计算的接收器相对位置信息，控制无人机实时自适应跟踪对准接收器，保证应急电子设备不间断续航。3、通过光学测距单元、像素采集单元、导航感知传感器提供的接收器距离信息、相对位置信息和无人机位置信息，可提供接收器的绝对位置信息，实现应急供电场景下电子设备的实时定位。4、部分反射器既可提供共振光束的泄漏光束，又可完全透射红外信号，从而为接收器的相对位置计算提供了必要的信号来源，结构简单。5、使用的跟踪定位信号基于近红外波段，所以系统在白天和黑夜场景均可实现应急无线充电，应用范围广。附图说明图1为本专利技术系统结构示意图；图2为本专利技术系统中光共振无线充电结构示意图；图3为本专利技术实施例中电能转换器示例图；图4为本专利技术系统中实时跟踪定位结构示意图；图5为本专利技术系统中像素采集单元实时自适应跟踪原理流程图；图6为本专利技术实施例中部分反射器结构示意图。图中标注：1、地面基站，2、通信/供电线缆，3、无人机，4、发射器云台，5、接收器，6、飞行控制器，7、云台控制器，8、泵浦模块，9、光学测距单元，10、光学充电发送器，11、像素采集单元，12、部分反射器，13、导航感知传感器，14、光学充电接收器，15、电能转换器，16、红外发光二极管，17、负载，18、共振光束，19、红外信号，20、泄漏光束，21、通信链路，22、第一通信装置，23、第二通信装置，24、第一回复反射镜，25、增益模块，26、第二回复反射镜，27、光电转换器，28、视觉传感器，29、红外滤光镜。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。实施例如图1所示，本申请提出一种基于系留无人机的应急无线充电系统，包括系留无人机飞行器、发射器云台4和接收器5。系留无人机飞行器包括无人机3和设置在无人机3上的飞行控制器6，飞行控制器6通过通信/供电线缆2连接地面基站1。发射器云台4设置在系留无人机飞行器上，包括云台控制器7、泵浦模块8、光学测距单元9、光学充电发送器10、像素采集单元11、部分反射器12和第一通信装置22。泵浦模块8由地面基站1通过通信/供电线缆2提供电能，并为光学充电发送器9提供泵浦能量。接收器5包括第二通信装置23和依次连接的充电接收器14、电能转换器15、负载17，负载17并联接有红外发光二极管16，第一通信装置22和第二通信装置23通讯连接。光学充电发送器10由泵浦模块8泵浦，并由地面基站1通过通信/供电线缆2供能，然后通过部分反射器12发出共振光束18向光学充电接收器14传输功率能量。共振光束18与红外发光二极管16反馈的红外信号19，经由光学测距单元9和像素采集单元11将接收器5的位置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于系留无人机的应急无线充电系统，包括系留无人机飞行器，所述系留无人机飞行器通过通信/供电线缆(2)连接地面基站(1)，其特征在于，还包括发射器云台(4)和接收器(5)；所述发射器云台(4)设置在系留无人机飞行器上，包括云台控制器(7)、泵浦模块(8)、光学充电发送器(10)和第一通信装置(22)，所述接收器(5)包括第二通信装置(23)和依次连接的充电接收器(14)、电能转换器(15)、负载(17)，所述第一通信装置(22)和第二通信装置(23)通讯连接；所述光学充电发送器(10)由泵浦模块(8)泵浦，并由地面基站(1)通过通信/供电线缆(2)供能，然后发出共振光束(18)向所述光学充电接收器(14)传输功率能量。

【技术特征摘要】
1.一种基于系留无人机的应急无线充电系统，包括系留无人机飞行器，所述系留无人机飞行器通过通信/供电线缆(2)连接地面基站(1)，其特征在于，还包括发射器云台(4)和接收器(5)；所述发射器云台(4)设置在系留无人机飞行器上，包括云台控制器(7)、泵浦模块(8)、光学充电发送器(10)和第一通信装置(22)，所述接收器(5)包括第二通信装置(23)和依次连接的充电接收器(14)、电能转换器(15)、负载(17)，所述第一通信装置(22)和第二通信装置(23)通讯连接；所述光学充电发送器(10)由泵浦模块(8)泵浦，并由地面基站(1)通过通信/供电线缆(2)供能，然后发出共振光束(18)向所述光学充电接收器(14)传输功率能量。2.根据权利要求1所述的一种基于系留无人机的应急无线充电系统，其特征在于，所述发射器云台(4)还包括像素采集单元(11)和部分反射器(12)，所述接收器(5)中的负载(17)并联接有红外发光二极管(16)；所述光学充电发送器(10)经过部分反射器(12)发出共振光束(18)向所述光学充电接收器(14)传输功率能量，同时生产的泄漏光束(20)由像素采集单元(11)采集，所述红外发光二极管(16)发出红外信号(19)经过部分反射器(12)后也由像素采集单元(11)采集，所述像素采集单元(11)与云台控制器(7)连接。3.根据权利要求2所述的一种基于系留无人机的应急无线充电系统，其特征在于，所述发射器云台(4)还包括光学测距单元(9)，所述光学测距单元(9)分别与云台控制器(7)和光学充电发送器(10)连接。4.根据权利要求3所述的一种基于系留无人机的应急无线充电系统，其特征在于，所述光学测距单元(9)鉴定共振光束(18)的反射...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓浩，黄卓仪，刘庆文，熊明亮，张清清，方稳，刘明清，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31